高性能非晶InGaO_x薄膜紫外探测器的制备及其增益机制分析

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紫外探测器因其广泛的应用而备受关注,直接宽带隙透明氧化物半导体Ga2O3相较于GaAlN、MgZnO和金刚石等宽禁带半导体而言,具有组分简单、物化性质稳定、拥有匹配衬底和价格低廉等优点,因而在紫外探测领域具有巨大潜力。与结晶型Ga2O3薄膜紫外探测器相比,非晶型Ga2O3薄膜紫外探测器具有制备简单、成本低、能够大规模生产、适用于柔性衬底且性能并不亚于结晶型探测器等诸多优点,未来在紫外探测领域越来越重要。未掺杂的Ga2O3薄膜带隙不可调制,对紫外光探测范围有限,本文采用In掺杂的手段利用磁控溅射方法制备非晶InGaOx薄膜MSM结构紫外探测器,以期调节器件的探测范围,通过优化工艺参数来提高器件性能,并对器件的内增益机制进行了分析。以c面蓝宝石为衬底,室温下纯氩气气氛中沉积InGaOx薄膜,研究不同工作压强对薄膜和器件性能的影响。XRD、AFM和SEM分析表明所制备的薄膜为非晶结构。所有器件都具有两个响应峰,可以实现同时对UVB和UVC的探测。压强为5 Pa时制备的器件同时获得了较大的响应度(18.059 A/W)和较快的响应速度(230μs),器件暗电流的变温I-V曲线测试说明5 Pa器件中的内增益机制为齐纳隧穿效应。由CFM表征结果可知,InGaOx薄膜中暗电流分布不均匀,高阻区和低阻区的交替存在可能与薄膜中In、O元素的分布不均匀有关,5 Pa薄膜中高阻区较薄,因此容易发生齐纳隧穿。但5 Pa器件的暗电流较大(1.20×10-55 A),光暗电流之比较小(2),需要进一步改善。为了降低器件暗电流,提高光暗电流之比,我们在溅射气氛中通入少量氧气来制备InGaOx薄膜。氧气流量为1.5 sccm时,器件暗电流最低,为3.85×10-1111 A,与未通氧器件相比,暗电流下降了6个数量级;氧流量为0.5 sccm时,器件光暗电流之比高达3937,与未通氧器件相比,光暗电流之比提升了2000倍;通氧后薄膜中氧空位浓度减少,对光生载流子的俘获作用减弱,同时肖特基势垒高度的增加导致光生电子-空穴对加速分离,响应速度大幅提升,0.5 sccm器件可达33.23μs。通氧条件下制备的器件的缺点是响应度大幅下降,0.5 sccm器件响应度仅为0.046 A/W,原因是通氧促进了In、O元素的均匀分布,电阻的不均匀性被削弱导致齐纳隧穿内增益机制消失。为了保持器件中的齐纳隧穿内增益机制,防止器件响应度下降过快,我们对5 Pa压强下制备的InGaOx薄膜进行500℃真空退火处理,以减少进入薄膜的氧,维持薄膜中In、O元素的不均匀性。结果表明500℃真空退火前后器件的响应度基本维持不变,而氧空位的减少导致暗电流减小,光暗电流比增加,响应速度加快。我们所制备的综合性能最优器件为500℃真空退火器件,其响应度为16.458 A/W,响应时间为100μs,暗电流为1.28×10-66 A,光暗电流比为12。
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